클라우드 덕분에 우리는 데이터 스토리지가 부족해질 것이라고 상상하기 어렵다. 그러나 2040 년까지 우리는 3 조 9 천억 비트의 데이터로 몰려 들고 지구는 칩 등급의 실리콘을 다 써 버릴 것이다. 한 가지 추측에 따르면 현재의 데이터 팜은 한 세기 동안 지속될 것이다.

"빅 데이터"혁명이 계속되기 위해서는 하드 드라이브를 근본적으로 재고 해야 한다. 진화 덕분에 우리는 이미 단서를 가지고 있다.

우리 몸은 모든 세포 내에서 미세한 구조 안에서 단단히 압축 된 데이터로 가득 차 있다. DNA를 살펴보자: 단 4 글자만 있으면 우리를 계속 움직일 수 있는 모든 단일 분자 과정을 생성 할 수 있다. 컴퓨터 칩의 실리콘 기반 데이터 저장에서 이러한 종류의 조합의 복잡성은 아직 전례가 없다.

DNA가 탈수되어 50 만년 동안 계속 유지되고 계산 될 수 있다는 사실에 덧붙여서, 과학자들이 정보를 인코딩하기 위해 그 특성을 이용하고 있다는 것은 놀라운 일이 아니다. 유명한 합성 생물 학자 조지 처치 (George Church) 박사에게 생물학을 바라 보는 것은 생각할 필요도 없다. 단순한 박테리아인 대장균(E. Coli)도 데이터 저장 밀도가 1cm3 당 1019 비트이다. 변형? 한 면에 1 미터 크기의 단 하나의 DNA 입방체만 있으면 전세계의 모든 데이터 저장 요구를 충족시킬 수 있다.

그러나 우리가 더 잘할 수 있다면 어떨까?

DNA는 근본적으로 생물학적 지표이며 결국 대사체(metabolome)의 몸에서 일상적인 작용을 하는 생화학적 플레이어의 전체를 생성하도록 확장된다. 네 개의 비트가 있는 DNA와 비교할 때 대사 산물은 수십만 개의 분자로 구성된 거대한 생태계이다. 다른 말로 하면 기성품인 금광으로, 우리가 선택할 수 있는 정보로 가득 채울 준비가 되어 있다.

이번 달 브라운 대학교(Brown University)의 Jacob Rosenstein 박사 팀은 DNA가 데이터 저장 분야에서 유일한 바이오 플레이어가 아니라는 최초의 개념 증명 중 하나를 제공했다. 그것은 심지어 가장 강력하지도 않다. DNA는 읽기 쉽고 쓰기가 쉽기 때문에 현재는 가장 매끄럽지 않은 매달린 실용적인 바이오 저장 매체다. 이제는 더 넓어 질 때이다.

연구원인 Eamonn Kennedy 박사는 "세포와 유기체가 정보를 전달하기 위해 작은 분자를 사용한다는 것을 인식하는 것은 어렵지 않지만 일반화하고 정량화하기가 더 어려울 수 있다. "우리는 대사체(metabolome)가 어떻게 정확한 디지털 정보를 인코딩 할 수 있는지 보여주고 싶었다."

대사체(Metabolome) 만나기

DNA가 베스트셀러 소설이라면 대사체는 충실한 영화 적용이다.

궁극적으로, 대사 물질은 DNA로부터 지시를 받는다. 그러나 숫자, 구조 및 다양성의 복잡성으로 인해 대사체는 정보 통신 사업자의 전체 생태계에 원래의 콘텐츠 보다 훨씬 많은 정보 밀도를 제공한다. 이것이 대사 산물의 탁월한 데이터 저장력의 근원이다. 즉, 혼란스런 조합에서 공존하고 상호 작용하는 분자의 다양성이다. .

"이전의 논문에서 로젠슈타인(Rosenstein)은"[대사 물질을 사용하는] 분자 정보의 이론적인 한계는 DNA보다 질량이 두 배나 더 크다. "우리는 많은 새로운 종류의 분자 저장 매체가 개발 될 것이라고 낙관하고 있다."

물론 문제는 지저분한 생물학적 성분을 다루어 디지털 정보를 인코딩 하는 방법이다. DNA는 상대적으로 간단하다. 0, 1 시스템을 A, T, C 및 G로 매핑하는 것은 어렵지 않다. 그러나 수많은 생체 분자로 시작해야 할 곳은 어디일까?

대사체(Metabolome) 하드 드라이브

팀은 대사 산물인 설탕, 아미노산, 비타민 및 음식을 소화하거나 우리 몸을 계속 작동시키는 데 사용하는 기타 작은 분자의 수프를 만드는 것으로 시작했다. 결국, 그들은 36 개의 일반 화학 물질을 두드리고 그 존재 또는 부재를 사용하여 1 또는 0을 부호화 했다. 화학-디지털 브릿지를 생성함으로써 팀은 메타 볼록 하드 디바이스의 범위를 결국 실리콘 칩에 저장할 수 있는 모든 것으로 확대하기를 희망했다. 특정 혼합물의 여러 대사 산물 화학 물질의 총 수는 얼마나 많은 비트가 저장 될 수 있는지를 결정했으며, 연구는 주로 첫 번째 데모로 6 비트 또는 12 비트 중 하나에 집중했다.

액체 성분을 보관 및 판독을 위해 강철판으로 정밀하게 이동시키기 위해 팀은 초음파를 통한 에너지 사용 (농담 없음)을 통해 소량의 액체를 목표 지점으로 밀었다. 도트로 점을 찍은 이 초음파 로봇은 다양한 조성을 가진 대사 체의 줄과 줄로 깔끔하게 배열 된 플레이트를 생성했다.

초기 개념 증명을 위해 팀은 대사 체 언어로 간단한 디지털 이미지를 작성하고 읽는 데 주력했다. 그렇다면 시각적인 것이 필요할까? Picture Minecraft와 같은 뭉툭한 흑백 클립 아트. 입력을 인코딩 하기 위해 사전을 구성했다. 예를 들어, 철판의 특정 지점은 이진법 코드 0101을 표시하도록 지정되었다. 실제로 이 지점은 해당 지점에 두 개의 특정 유형의 대사 산물이 있음을 의미한다. 인접한 지점은 고유한 대사 산물이 서로 다른 이진법 코드와 일치한다.

사전에 손을 잡고, 팀은 앵커, 딱딱한 뿔이 있는 엘크 형 동물, 이집트 고양이를 여러 강판에 코딩 했다. 예를 들어, 아이 벡스 이미지를 대사 물질에 "쓰기"위해, 팀은 6 개의 다른 분자의 혼합물을 사용하여 각 인코딩 1 또는 0의 존재 유무를 결정했다. 이 프로젝트에서 총 수천 개의 액체 점이 여러 플레이트에 생성되었다. 각각 17,000 픽셀 이상의 이미지를 인코딩 할 수 있는 충분한 이진 저장 공간을 제공하여 최대 10 만 비트의 정보를 추가했다.

이 데이터를 검색하는 또 다른 기계: 질량 분광계, 화학 물질과 그 양의 존재를 테스트하기 위해 화학에서 일상적으로 사용되는 성숙한 기술. 마지막으로, 신호를 노이즈와 분리하는 알고리즘을 사용하여 팀은 각 2kb 파일을 읽고 분자를 식별하고 대략 99 %의 정확도로 이미지를 재구성 할 수 있었다.

분자 밀도

공정하기 위해서, 2kb는 꽤 작다. 그러나 개념의 첫 번째 증명으로 이 연구는 작은 생체 분자가 데이터 저장을 위해 함께 작업 할 수 있는 능력을 가지고 있음을 시사한다.

파일 크기를 원근감 있게 보기 위해 지금까지 DNA 저장 용량은 그램 당 약 214 페타 바이트에 이르렀지만 이론적인 한계는 훨씬 더 높다. 그러나 화학적 다양성 덕분에 이론 상으로는 이미 이용 가능한 작은 분자의 라이브러리를 사용하여 대사 수준이 이 수준의 저장 장치와 쉽게 일치 할 수 있다고 팀은 전했다.

즉, 시스템은 대규모로 확장 가능하다. 비트 수가 증가하는 분자의 다양성을 높이면 데이터를 정확하게 읽는 것이 더 어려워 질 것이다. 그러나 오류 정정 코드를 시스템에 적용하고 점점 더 정교 해지는 분자 프로파일링을 위한 데이터 기술 덕분에 인공 신경망, 유전자 알고리즘은 전망이 아주 밝아 보인다. 현재 확인 된 대사 체 분자의 수는 100,000 개이며 DNA의 4 개 문자로 양자 도약이다. 이들 중 일부만이 안정적이고 읽기 쉽다고 하더라도 스토리지를 크게 향상시킬 수 있다.

더 많은 최적화가 또한 입력 - 검색 속도를 높일 것이다. 이 연구는 초당 약 5 비트의 속도로 데이터를 기록 할 수 있었으며 약 2 배의 속도로 읽을 수 있었지만 개선의 여지가 상당히 많았다.

즉 시스템에 방대한 버그가 내장되어 있다. 대사 산물은 상호 작용할 수 있는 작은 화학 물질이기 때문에 계획되지 않은 화학 반응은 인코딩 정밀도를 저하시킬 수 있다. 그러나 그 반응성은 또한 강력한 특징으로 바뀔 수 있다. 그것은 과학자들이 데이터를 덮어 쓰거나 예측 가능한 방식으로 데이터를 변형 할 수 있게 한다. 아직 일찍이 "합성 대사 계산의 가능성을 암시한다"고 저자는 말했다.

근본적으로 이 연구는 가능한 생물학적 하드 드라이브의 범위에 대해 사람들이 더 광범위하고 창조적으로 생각하도록 장려하고 있다.

"이와 같은 연구는 사람들이 분자 데이터 시스템에서 가능한 것으로 보고 있는 것에 도전한다"고 연구 저자인 Dr. Brenda Rubenstein이 말했다. "DNA는 정보를 저장하고 처리하는 데 사용할 수 있는 유일한 분자는 아니다. 큰 잠재력을 지닌 다른 가능성이 있다는 것을 인식하는 것이 흥미롭다. "